СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ОБРАЗОВАНИЕМ ЛОКАЛЬНОГО УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В МЕСТАХ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА Российский патент 2025 года по МПК G12B15/04 H05K7/20 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в стационарных силовых установках, сухопутном (гусеничном, колесном, в том числе железнодорожном), морском, речном и авиатранспорте, в космических кораблях, а также в иных местах, где применяются мощные полупроводниковые приборы, охлаждаемые потоком жидкого или газообразного теплоносителя.

Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ RU2015103493 (A), опубл. 27.08.2016 содержащее закрытый корпус, внутри которого расположены электронные компоненты, установленные на радиаторах, между ребрами которых образованы параллельные каналы, и по меньшей мере один вытяжной вентилятор, перемещающий воздух внутри корпуса, отличающееся тем, что вентилятор установлен у стенок корпуса расположены перпендикулярно указанным каналам, а на противоположной стенке корпуса напротив каждого канала выполнена, по меньшей мере, одна пара из двух параллельных пазов длиной, по меньшей мере, 10 мм и расстоянием между ними, по меньшей мере, 5 мм, причем прямоугольная пластина, образованная пазами, отогнута вдоль своей длинной стороны, чтобы внешняя часть корпуса выполнена в виде арки, при этом общий размер арок пропорционален мощности вентилятора, что обеспечивает стабильный турбулентный поток воздуха через упомянутые каналы.

Недостатком данного аналога является наличие тепловых сопротивлений между источником тепла и самим теплоносителем, в состав которых входят сопротивление слоя теплопроводящей смазки (пасты, прокладки) и сопротивление теплопроводящей конструкции.

Еще одним аналогом является СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА US2014124182 (A1), опубл. 08.05.2014 содержащая охлаждающий модуль, который охлаждает силовое полупроводниковое устройство, включающее в себя силовые устройства, при отводе рабочей текучей среды, вводимой через основной вход, к основному выходу через канал, при этом охлаждающий модуль включает в себя ответвительный входной канал, который образован в направлении, пересекающем основной входной канал, и в который дополнительно вводится рабочая текучая среда.

Недостатком данного аналога является наличие тепловых сопротивлений между источником тепла и самим теплоносителем, в состав которых входят сопротивление слоя теплопроводящей смазки (пасты, прокладки) и сопротивление теплопроводящей конструкции.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ RU2017142042 (A), опубл. 03.06.2019 согласно которому указанные приборы, устанавливают на поверхности охладителей, помещенных на пути движения направленного потока воздуха, отличающийся тем, что охладители разносят по длине воздуховода электронного устройства, образуя между ними зону смешения воздушных потоков, при этом над по меньшей мере, одним охладителем устраивают обводной воздушный канал, посредством которого обеспечивают подачу холодного воздуха в зону смешения, и снижают температуру охлаждающего воздуха на входе в следующий, по направлению движения воздушного потока, охладитель.

Недостатком наиболее близкого технического решения (прототипа) является наличие тепловых сопротивлений между источником тепла и самим теплоносителем, в состав которых входят сопротивление слоя теплопроводящей смазки (пасты, прокладки) и сопротивление теплопроводящей конструкции.

Задачей заявляемого изобретения, является создание способа охлаждения для повышения эксплуатационных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей

Технический результат заявляемого изобретения, заключается в повышении надежности преобразовательной аппаратуры.

Указанный технический результат достигается тем, что способ охлаждения полупроводниковых приборов с образованием локального увеличения скорости потока теплоносителя в местах выделения тепла, характеризующийся тем, что разделяют единый охлаждающий поток на локальные охлаждающие потоки, осуществляют подачу локальных охлаждающих потоков в центральные точки мест установки тепловыделяющих кристаллов с созданием зон турбулентности в центре тепловыделяющих поверхностей, с увеличением скорости локальных охлаждающих потоков, и с её замедлением после прохождения зон турбулентности, после чего объединяют локальные потоки в единый поток и выводят из охладителя полупроводникового прибора, причём количество локальных охлаждающих потоков выбирают равным количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводниковых приборов, подачу локальных охлаждающих потоков осуществляют перпендикулярно поверхности основания модуля в местах установки тепловыделяющих кристаллов полупроводников.

Предложенное изобретение иллюстрируется поясняющими чертежами:

на фиг. 1 показан модуль с двумя тепловыделяющими кристаллами полупроводников;

на фиг. 2 показано сечение А-А.

На чертежах обозначено:

1 - корпус; 2 - герметичные полости; 3 - прокладки; 4 - модуль; 5 - впускной патрубок; 6 - внутренние каналы; 7 - полость; 8 - охлаждаемые кристаллы; 9 - бобышки; 10 - зоны турбулентности; 11 - каналы бобышек; 12 - отводной канал; 13 - выпускной патрубок.

Способ охлаждения с последовательным движением потока теплоносителя по модулям для силового модуля с двумя тепловыделяющими кристаллами полупроводников (фиг. 1). При этом форма корпуса 1 несущей конструкции такова, что обеспечивает создание герметичной полости 2, через которую при помощи внешнего насоса прокачивается теплоноситель. Герметичность достигается за счет использования сжимаемой прокладки 3, которая деформируется при креплении основания модуля 4 к корпусу 1.

Входной поток теплоносителя проходит через впускной патрубок 5, разделяется во впускном коллекторе на две равные части и по внутренним каналам 6 поступает в полость 7. При этом каналы 11, выполненные внутри кольцевых бобышек 9, обеспечивают разворот и направление локальных потоков перпендикулярно поверхности модуля 4 в местах расположения охлаждаемых кристаллов 8.

Между верхней плоской поверхностью каждой бобышки 9 и поверхностью модуля образуются зоны турбулентности 10 (фиг. 2), где движение теплоносителя происходит с увеличенной скоростью, в 2-3 раза больше первоначальной скорости теплоносителя, и обеспечивается интенсивный теплообмен. Направление движения теплоносителя показано стрелками (фиг. 1, фиг. 2). После прохождения зон интенсивного теплообмена, локальные потоки теплоносителя соединяются в полости 7 и объединенный поток через канал 6 и отводной канал 12 отводится в выпускной патрубок 13.

Разделение единого охлаждающего потока на локальные охлаждающие потоки достигается множественным разветвлением канала впускного патрубка 5 на внутренние каналы 6 (фиг. 1), количество которых зависит от количества тепловыделяющих кристаллов полупроводника, что позволяет охлаждающему потоку эффективно осуществлять охлаждение каждого тепловыделяющего кристалла 8 за счёт направленного охлаждающего воздействия на центры тепловыделяющих кристаллов 8 полупроводникового прибора, что оказывает значительное влияние на снижение рабочей температуры полупроводниковых приборов, что в свою очередь позволяет значительно повысить надежность преобразовательной аппаратуры, дополнительно позволяя либо увеличить мощность полупроводниковых приборов при заданной температуре, либо снизить их температуру при заданной мощности.

Подача локальных охлаждающих потоков в центральные точки мест установки тепловыделяющих кристаллов полупроводниковых приборов осуществляется перпендикулярно поверхности модуля 4, за счёт каналов 11, расположенных внутри кольцевых бобышек 9, одновременно обеспечивающих разворот охлаждающих потоков перпендикулярно поверхности модуля 4 в местах расположения охлаждаемых кристаллов, что в свою очередь создаёт зоны турбулентности 10, где локальные охлаждающие потоки из ламинарного состояния преобразуются в турбулентные потоки, скорость которых возрастает в 2-3 раза, относительно скорости изначальных ламинарных потоков, что в свою очередь обеспечивает интенсивное воздействие на тепловыделяющие кристаллы полупроводников, а следовательно снижает рабочую температуру полупроводниковых приборов, тем самым значительно повышается надёжность преобразовательной аппаратуры.

Дальнейшее объединение локальных потоков в единый поток и его вывод наружу в места охлаждения обеспечивает цикличность процесса, что позволяет снова направлять охлаждённый поток к поверхности полупроводникового прибора и обеспечивать непрерывное охлаждение тепловыделяющих кристаллов, что значительно снижает рабочую температуру полупроводниковых приборов, тем самым значительно повышается надёжность преобразовательной аппаратуры. При таком способе охлаждения исключаются промежуточные теплопроводящие прокладки и металлические теплопроводящие конструкции между основанием полупроводникового модуля и охлаждающим потоком теплоносителя.

Дополнительный технический результат изобретения заключается в возможности изготовления несущей конструкции охладителя из пластмассы или иного подобного материала, что приводит к значительному повышению технологичности изготовления предлагаемой несущей конструкции и уменьшению ее массы и стоимости по сравнению с традиционными металлическими конструкциями.

Первым примером реализации заявленного способа является

Способ охлаждения в силовом преобразователе тягового электродвигателя для транспортной гусеничной машины с электротрансмиссией. Охлаждение модулей производилось с использованием жидкости из системы охлаждения дизельного двигателя с рабочей температурой 80°С. Суммарная мощность, выделяемая модулями в систему охлаждения, составила 7 кВт.

Охлаждающую жидкость направили во впускной патрубок 5 (фиг. 1), диаметр отверстия которого составил 12 мм, с дальнейшим разделением на 32 локальных охлаждающих потока, что равно количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводников тягового электродвигателя (8 силовых модулей по 4 кристалла в каждом).

Затем охлаждающая жидкость по внутренним каналам 6 попала в полость 7, где прошла через бобышки 9, внешний диаметр которой составил 19 мм, а её внутренний диаметр составил 1,7 мм, при этом зазор между бобышкой 9 и основанием модуля 4 составил 0,4 мм. После прохождения бобышек 9 локальные охлаждающие потоки попали в зону турбулентности 10 (фиг. 2), и развернулись перпендикулярно основанию модуля 4 в места расположения тепловыделяющих кристаллов. При этом ламинарное состояние локальных охлаждающих потоков преобразовалось в турбулентное, а их скорость возросла в 3 раза.

После прохождения локальными потоками зон турбулентности 10 они были объединены в единый и выведены через выпускной патрубок 13 диаметром 12 мм наружу в места охлаждение потока.

Температура кристаллов при традиционном способе охлаждения 120°С, при предлагаемом способе 105°С.

Таким образом, в заявленном примере, за счёт снижения рабочей температуры полупроводников, удалось повысить надежность преобразовательной аппаратуры, дополнительно увеличив коммутируемую ими мощность на 15% по сравнению с традиционным вариантом охлаждения, при этом температура кристаллов осталась в допустимом рабочем диапазоне.

Вторым примером реализации является способ охлаждения в силовом преобразователе тягового электродвигателя гусеничной лесозаготовительной машины с электротрансмиссией. Охлаждение модулей производилось с использованием жидкости из системы охлаждения электродвигателя с рабочей температурой 85°С. Суммарная мощность, выделяемая модулями в систему охлаждения, составила 10 кВт.

Охлаждающую жидкость направили во впускной патрубок 5 (фиг. 1), диаметр отверстия которого составил 14 мм, с дальнейшим разделением на 40 локальных охлаждающих потока, что равно количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводников тягового электродвигателя (10 силовых модулей по 4 кристалла в каждом).

Затем охлаждающая жидкость по внутренним каналам 6 попала в полость 7, где прошла через бобышки 9, внешний диаметр которой составил 20 мм, а её внутренний диаметр составил 2,2 мм, при этом зазор между бобышкой 9 и основанием модуля 4 составил 0,5 мм. После прохождения бобышек 9 локальные охлаждающие потоки попали в зону турбулентности 10 (фиг. 2), и развернулись перпендикулярно основанию модуля 4 в места расположения тепловыделяющих кристаллов. При этом ламинарное состояние локальных охлаждающих потоков преобразовалось в турбулентное, а их скорость возросла в 2,6 раза.

После прохождения локальными потоками зон турбулентности 10 они были объединены в единый и выведены через выпускной патрубок 13 диаметром 14 мм наружу в места охлаждение потока.

Температура кристаллов при традиционном способе охлаждения 120°С, при предлагаемом способе 102°С.

Таким образом, в заявленном примере, за счёт снижения рабочей температуры полупроводников, увеличилась надежность преобразовательной аппаратуры.

Третьим примером реализации является способ охлаждения в силовом преобразователе тягового электродвигателя электрического погрузчика. Охлаждение модулей производилось с использованием жидкости из системы охлаждения электродвигателя с рабочей температурой 85°С. Суммарная мощность, выделяемая модулями, составила 5 кВт.

Охлаждающую жидкость направили во впускной патрубок 5 (фиг. 1), диаметр отверстия которого составил 10 мм, с дальнейшим разделением на 24 локальных охлаждающих потока, что равно количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводников тягового электродвигателя (6 силовых модулей по 4 кристалла в каждом).

Затем охлаждающая жидкость по внутренним каналам 6 попала в полость 7, где прошла через бобышки 9, внешний диаметр которой составил 18 мм, а её внутренний диаметр составил 2 мм, при этом зазор между бобышкой 9 и основанием модуля 4 составил 0,5 мм. После прохождения бобышек 9 локальные охлаждающие потоки попали в зону турбулентности 10 (фиг. 2), и развернулись перпендикулярно основанию модуля 4 в места расположения тепловыделяющих кристаллов. При этом ламинарное состояние локальных охлаждающих потоков преобразовалось в турбулентное, а их скорость возросла в 2,4 раза.

После прохождения локальными потоками зон турбулентности 10 они были объединены в единый и выведены через выпускной патрубок 13 диаметром 10 мм наружу в места охлаждение потока.

Температура кристаллов при традиционном способе охлаждения 123°С, при предлагаемом способе 103,5°С.

Таким образом, в заявленном примере, за счёт снижения рабочей температуры полупроводников увеличивается надежность преобразовательной аппаратуры.

Таким образом, заявленный способ охлаждения полупроводниковых приборов с образованием локального увеличения скорости потока теплоносителя в местах выделения тепла, за счет примененных в нём технологий, совокупности их характеристик и взаимосвязей обеспечивает повышение надежности преобразовательной аппаратуры, дополнительно увеличивает срок службы силовых полупроводниковых приборов при коэффициенте их загрузки по мощности, близком к 90%, а также значительно повышает технологичность изготовления несущих конструкций охладителей, и снижает стоимость несущих конструкций охладителей за счёт возможности их изготовления из пластмасс, без применения металлов.

Использование: для охлаждения мощных полупроводниковых приборов. Сущность изобретения заключается в том, что способ охлаждения полупроводниковых приборов характеризуется тем, что разделяют единый охлаждающий поток на локальные охлаждающие потоки, осуществляют подачу локальных охлаждающих потоков в центральные точки мест установки тепловыделяющих кристаллов с созданием зон турбулентности в центре тепловыделяющих поверхностей с увеличением скорости локальных охлаждающих потоков и с её замедлением после прохождения зон турбулентности, после чего объединяют локальные потоки в единый поток и выводят из полупроводникового прибора, причём количество локальных охлаждающих потоков выбирают равным количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводниковых приборов, подачу локальных охлаждающих потоков осуществляют перпендикулярно поверхности основания модуля в местах установки тепловыделяющих кристаллов полупроводников. Технический результат - обеспечение возможности охлаждения полупроводниковых приборов с образованием локального увеличения скорости потока теплоносителя в местах выделения тепла. 2 ил.

Способ охлаждения полупроводниковых приборов с образованием локального увеличения скорости потока теплоносителя в местах выделения тепла, характеризующийся тем, что разделяют единый охлаждающий поток на локальные охлаждающие потоки, осуществляют подачу локальных охлаждающих потоков в центральные точки мест установки тепловыделяющих полупроводниковых приборов с созданием зон турбулентности в центре тепловыделяющих поверхностей с увеличением скорости локальных охлаждающих потоков и с её замедлением после прохождения зон турбулентности, после чего объединяют локальные потоки в единый поток и выводят из охладителя полупроводникового прибора, причём количество локальных охлаждающих потоков выбирают равным количеству тепловыделяющих кристаллов полупроводниковых приборов, подачу локальных охлаждающих потоков осуществляют перпендикулярно поверхности основания модуля в местах установки тепловыделяющих кристаллов полупроводников.